專利名稱：一種全向輪結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)機(jī)器人控制領(lǐng)域，特別涉及一種全向輪結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
全向移動(dòng)機(jī)器人具有全向運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵在于其全向輪系結(jié)構(gòu)。全向輪 系的基本構(gòu)造是大輪邊緣套有側(cè)向小輪，這樣機(jī)器人在橫向移動(dòng)時(shí)始終保持
與地面為滾動(dòng)摩擦，大大減少移動(dòng)阻力。目前,全向輪結(jié)構(gòu)主要有2種。 一種 為互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，始終有一個(gè)小輪的邊緣可以著地,輪子的寬 度較寬，承載能力強(qiáng),但會(huì)給空間布局帶來(lái)一定影響，另外著地點(diǎn)會(huì)內(nèi)外交錯(cuò)， 這樣對(duì)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)會(huì)造成非線性影響,使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方向上有所偏移。另 外一種是非互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，大輪外緣使用較多的小輪,這種結(jié)構(gòu)輪子的寬度可以比 較小，并且著地點(diǎn)始終在一個(gè)圓上，不會(huì)對(duì)機(jī)器人帶來(lái)非線性影響，但是，由于 2個(gè)小輪之間有間隙，所以輪子的直徑在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有變化，機(jī)器人的上下振動(dòng) 會(huì)比較大，并且其承載能力不如前一種結(jié)構(gòu)大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種全向輪結(jié)構(gòu)，本發(fā) 明能夠減少機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)的非線性影響，提高全向輪的承受能力，保證機(jī)器 人運(yùn)行時(shí)的精度和平穩(wěn)性。
本發(fā)明提供全向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。全向輪支承部分釆用內(nèi)外交錯(cuò)成45 度角的內(nèi)外兩層互補(bǔ)輪轂結(jié)構(gòu)，內(nèi)外輪轂支架邊緣開有U型小槽，通過螺母 將紡錘體小輪固定在內(nèi)外層輪轂支架上。內(nèi)外兩層紡錘體小輪之間得重疊角度超過5度。內(nèi)外輪轂之間夾有墊塊，三者通過螺栓進(jìn)行連接。 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的-
本發(fā)明包括外輪轂支架，內(nèi)輪轂支架，墊塊，紡錘體小輪，外輪轂支架， 內(nèi)輪轂支架成45度角錯(cuò)開，中間夾著墊塊，內(nèi)外輪轂支架上分別連接紡錘體 小輪。
所述的紡錘體小輪由支撐軸，支撐軸承，軸承支撐蓋，支撐套筒，紡錘 體外圈組成，支撐軸連接支撐套筒，支撐套筒的兩端安裝支撐軸承，支撐軸 承與軸承支撐蓋連接，支撐套筒外連接紡錘體外圈，紡錘體外圈和支撐套筒 采用橡膠硫化一體結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外輪轂支架邊緣的壓力下通過軸承支撐蓋將軸 承緊固。
內(nèi)外輪轂支架上的紡錘體小輪交替重疊部分范圍5 6度； 內(nèi)外輪轂支架通過內(nèi)六腳螺釘進(jìn)行連接。
內(nèi)輪轂支架邊緣處開有U型小槽，內(nèi)外輪轂支架上分別連接紡錘體小輪， 通過螺母將紡錘體小輪固定在內(nèi)外輪轂支架上。
本發(fā)明在保證紡錘體小輪不發(fā)生干涉的約束下，盡可能的提高紡錘體小 輪交替時(shí)的重疊度，通過在輪轂上開U型槽的設(shè)計(jì)，使輪轂具有較好的彈性， 在使得輪轂運(yùn)行平穩(wěn)的同時(shí)解決從動(dòng)輪裝配困難的問題，紡錘體小輪部分， 將橡膠硫化在從動(dòng)輪支撐套筒上，形成一體結(jié)構(gòu)，有利于提高全向輪移動(dòng)時(shí) 的精度。
由于采用開槽設(shè)計(jì)，紡錘體小輪的裝配方便，容易維護(hù)；紡錘體小輪采 用橡膠硫化一體結(jié)構(gòu)且內(nèi)外層紡錘體小輪重疊部分角度大，有利于保證全向 輪運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，提高了全向輪移動(dòng)時(shí)的精度。


圖l(a)是輪子總體結(jié)構(gòu)圖l(b)是內(nèi)外輪轂支架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖。
圖3是輪轂，紡錘體設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算模型圖。
圖4是小輪紡錘體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖5是全向輪厚度參數(shù)計(jì)算模型圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1所示，全向輪由外輪轂支架l，內(nèi)輪轂支架2，墊塊3，紡錘體 小輪4，螺母5五大部分組成。外輪轂支架l，內(nèi)輪轂支架2成45度角錯(cuò)開， 中間夾著墊塊3，通過內(nèi)六腳螺釘6 (共4個(gè))進(jìn)行連接。外輪轂支架l，內(nèi) 輪轂支架2邊緣處開有U型小槽，通過螺母5 (共16個(gè))將紡錘體小輪4 (共 8個(gè))固定在內(nèi)外輪轂支架上。全向輪徑向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小輪紡錘體交替著地，軸 向移動(dòng)時(shí)小輪紡錘體橫向滾動(dòng)，始終保持與地面為滾動(dòng)摩擦。
參照?qǐng)D2所示，全向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程圖。
先按照設(shè)計(jì)要求確定全向輪的大小，然后根據(jù)負(fù)載的情況進(jìn)行軸承的選 型，進(jìn)而按照參數(shù)約束模型進(jìn)行內(nèi)外輪轂的設(shè)計(jì)，紡錘體小輪的設(shè)計(jì)，最后 確定輪子的厚度以及進(jìn)行裝配，干涉檢查。
參照?qǐng)D3所示，建立全向輪各部分參數(shù)幾何約束模型圖，通過計(jì)算確定 輪轂支架尺寸和小輪紡錘體尺寸。
Dl為全向輪直徑即紡錘體小輪4的外圈11所在圓的直徑，D2為內(nèi)外層 輪轂支架l, 2邊緣點(diǎn)所在圓的直徑，D3為紡錘體小輪支撐軸7的直徑，D4為紡錘體小輪4最小外徑，a為紡錘體小輪外圈11輪廓弧線對(duì)應(yīng)的弧度角。 設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)輪子的實(shí)際負(fù)重情況對(duì)軸承進(jìn)行選型，在Dl和選定的軸承 尺寸約束下，盡可能增大a角(5到6度)，確保輪子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相鄰小紡錘體 外圈有較大的重疊角度，保證運(yùn)動(dòng)的精度和平穩(wěn)性。要特別注意支撐軸兩端 的固定螺母的選取，確保輪子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不與另外一層對(duì)應(yīng)的小輪紡錘體發(fā)生 干涉。
參照?qǐng)D4所示，進(jìn)行小輪紡錘體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。紡錘體小輪4由支撐軸7， 支撐軸承8，軸承支撐蓋9，支撐套筒IO，紡錘體外圈ll組成，紡錘體外圈 11和支撐套筒10采用橡膠硫化一體結(jié)構(gòu)，支撐套筒10的兩端安裝支撐軸承 8，在內(nèi)輪轂2，外輪轂l的支架邊緣的壓力下通過軸承支撐蓋9將軸承8緊 固。紡錘體外圈采用特殊的橡膠材料，和支撐套筒一起進(jìn)行硫化工藝，形成 一體結(jié)構(gòu)。支撐套筒設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀，有利于提高套筒的支撐強(qiáng)度和硫化工藝 過程的完成。
參照?qǐng)D5所示，3為墊塊，根據(jù)紡錘體小輪4中的外圈11的厚度，在保 證不發(fā)生干涉的情況下確定墊塊3的厚度，最終確定整個(gè)輪子的厚度。
本發(fā)明提出了一整套全向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程規(guī)范，根據(jù)實(shí)際的使用需求 和設(shè)計(jì)要求，通過建立全向輪各部分的參數(shù)約束模型，對(duì)全向輪各組成部分 (輪轂，小輪紡錘體部分等)進(jìn)行尺寸計(jì)算，按照計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì) 及校驗(yàn)。
全向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
步驟l:確定實(shí)際的使用需求及設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)際機(jī)器人質(zhì)量，高度， 底盤結(jié)構(gòu)及尺寸確定全向輪實(shí)際使用時(shí)需要承受的載荷及輪子的尺寸約束，并根據(jù)以上參數(shù)確定軸承的型號(hào)。
步驟2:由輪子尺寸約束結(jié)合圖3提供的計(jì)算模型確定輪轂支架外形尺 寸及小輪紡錘體外形尺寸。輪轂支架采用四周開U型槽的方式，在保證a角 在5到6度且不發(fā)生干涉的情況下確定小輪紡錘體的尺寸。
步驟3:根據(jù)小輪紡錘體的尺寸約束及選定的軸承型號(hào)進(jìn)行小輪內(nèi)部結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)小輪紡錘體外形尺寸以及步驟l中選定的軸承尺寸來(lái)確定支撐 軸，軸承支撐蓋和支撐套筒的尺寸。
步驟4:根據(jù)實(shí)際使用的精度要求及紡錘體尺寸約束來(lái)確定最終全向輪 的厚度。在保證內(nèi)外兩層小輪紡錘體小輪不發(fā)生干涉的約束條件下來(lái)調(diào)整墊 塊的厚度，最終確定整個(gè)全向輪的厚度。
步驟5:裝配及校驗(yàn)。裝配好后進(jìn)行干涉檢查，確認(rèn)全向輪各部分無(wú)千 涉情況發(fā)生。
權(quán)利要求
1. 一種全向輪結(jié)構(gòu)，包括外輪轂支架(1)，內(nèi)輪轂支架(2)，墊塊(3)，紡錘體小輪(4)，其特征在于，外輪轂支架(1)與內(nèi)輪轂支架(2)成45度角錯(cuò)開，中間夾著墊塊(3)，內(nèi)外輪轂支架(2、1)上分別連接紡錘體小輪(4)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的紡錘體小輪 (4)由支撐軸(7)，支撐軸承(8)，軸承支撐蓋(9)，支撐套筒(10)，紡錘體外圈(11)組成，支撐軸(7)連接支撐套筒(10)，支撐套筒(10)的 兩端安裝支撐軸承(8)，支撐軸承(8)與軸承支撐蓋(9)連接，支撐套筒 (10)外連接紡錘體外圈(11)，紡錘體外圈(11)和支撐套筒(10)采用橡 膠硫化一體結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外輪轂支架(2、 1)邊緣的壓力下通過軸承支撐蓋(9) 將軸承(8)緊固。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，內(nèi)外輪轂支架(2、 1)上的紡錘體小輪(4)交替重疊部分范圍5 6度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全向輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，內(nèi)外輪轂支架(2、 1)通過內(nèi)六腳螺釘(6)進(jìn)行連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全向輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，內(nèi)輪轂支架(2) 邊緣處開有U型小槽，內(nèi)外輪轂支架(2、 1)上分別連接紡錘體小輪(4)， 通過螺母(5)將紡錘體小輪(4)固定在內(nèi)外輪轂支架(2、 1)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，屬于移動(dòng)機(jī)器人控制領(lǐng)域。將全向輪的輪轂采用內(nèi)外兩層且交替錯(cuò)開45度角排列結(jié)構(gòu)，避免了輪轂一體化帶來(lái)的安裝困難。外輪轂支架，內(nèi)輪轂支架中間夾著墊塊，內(nèi)外輪轂支架上分別連接紡錘體小輪，本發(fā)明使整個(gè)輪轂支架具有較好的彈性，安裝方便。從動(dòng)輪采用支撐套筒和橡膠硫化的一體結(jié)構(gòu)，保證了全向輪運(yùn)動(dòng)的精度。采用本發(fā)明研制成功的全向輪運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B60B19/00GK101417586SQ20081023255
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者馮祖仁, 凱 梁, 蘇承平 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)